2011-11-24 14:43:41
Java基礎(chǔ) 之軟引用、弱引用、虛引用
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1、概述

   在JDK1.2以前的版本中，當(dāng)一個(gè)對(duì)象不被任何變量引用，那么程序就無(wú)法再使用這個(gè)對(duì)象。也就是說(shuō)，只有對(duì)象處于可觸及狀態(tài)，程序才能使用它。這 就像在日常生活中，從商店購(gòu)買了某樣物品后，如果有用，就一直保留它，否則就把它扔到垃圾箱，由清潔工人收走。一般說(shuō)來(lái)，如果物品已經(jīng)被扔到垃圾箱，想再 把它撿回來(lái)使用就不可能了。
   但有時(shí)候情況并不這么簡(jiǎn)單，你可能會(huì)遇到類似雞肋一樣的物品，食之無(wú)味，棄之可惜。這種物品現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)用了，保留它會(huì)占空間，但是立刻扔掉它也不劃算，因 為也許將來(lái)還會(huì)派用場(chǎng)。對(duì)于這樣的可有可無(wú)的物品，一種折衷的處理辦法是：如果家里空間足夠，就先把它保留在家里，如果家里空間不夠，即使把家里所有的垃 圾清除，還是無(wú)法容納那些必不可少的生活用品，那么再扔掉這些可有可無(wú)的物品。
   從JDK1.2版本開(kāi)始，把對(duì)象的引用分為四種級(jí)別，從而使程序能更加靈活的控制對(duì)象的生命周期。這四種級(jí)別由高到低依次為：強(qiáng)引用、軟引用、弱引用和虛引用。

下圖為對(duì)象層次的引用

2、強(qiáng)引用
   平時(shí)我們編程的時(shí)候例如：Object object=new Object（）；那object就是一個(gè)強(qiáng)引用了。如果一個(gè)對(duì)象具有強(qiáng)引用，那就類似于必不可少的生活用品，垃圾回收器絕不會(huì)回收它。當(dāng)內(nèi)存空 間不足，Java虛擬機(jī)寧愿拋出OutOfMemoryError錯(cuò)誤，使程序異常終止，也不會(huì)靠隨意回收具有強(qiáng)引用的對(duì)象來(lái)解決內(nèi)存不足問(wèn)題。

3、軟引用（SoftReference）
   如果一個(gè)對(duì)象只具有軟引用，那就類似于可有可物的生活用品。如果內(nèi)存空間足夠，垃圾回收器就不會(huì)回收它，如果內(nèi)存空間不足了，就會(huì)回收這些對(duì)象的內(nèi)存。只 要垃圾回收器沒(méi)有回收它，該對(duì)象就可以被程序使用。軟引用可用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)存敏感的高速緩存。 軟引用可以和一個(gè)引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián) 合使用，如果軟引用所引用的對(duì)象被垃圾回收，Java虛擬機(jī)就會(huì)把這個(gè)軟引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。

4、弱引用（WeakReference）

   如果一個(gè)對(duì)象只具有弱引用，那就類似于可有可物的生活用品。弱引用與軟引用的區(qū)別在于：只具有弱引用的對(duì)象擁有更短暫的生命周期。在垃圾回收器線程掃描它 所管轄的內(nèi)存區(qū)域的過(guò)程中，一旦發(fā)現(xiàn)了只具有弱引用的對(duì)象，不管當(dāng)前內(nèi)存空間足夠與否，都會(huì)回收它的內(nèi)存。不過(guò)，由于垃圾回收器是一個(gè)優(yōu)先級(jí)很低的線程， 因此不一定會(huì)很快發(fā)現(xiàn)那些只具有弱引用的對(duì)象。  弱引用可以和一個(gè)引用隊(duì)列（ReferenceQueue）聯(lián)合使用，如果弱引用所引用的對(duì)象被垃圾回 收，Java虛擬機(jī)就會(huì)把這個(gè)弱引用加入到與之關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。 

 5、虛引用（PhantomReference）

   '虛引用'顧名思義，就是形同虛設(shè)，與其他幾種引用都不同，虛引用并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。如果一個(gè)對(duì)象僅持有虛引用，那么它就和沒(méi)有任何引用一樣，在 任何時(shí)候都可能被垃圾回收。 虛引用主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收的活動(dòng)。虛引用與軟引用和弱引用的一個(gè)區(qū)別在于：虛引用必須和引用隊(duì)列 （ReferenceQueue）聯(lián)合使用。當(dāng)垃圾回收器準(zhǔn)備回收一個(gè)對(duì)象時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)它還有虛引用，就會(huì)在回收對(duì)象的內(nèi)存之前，把這個(gè)虛引用加入到與之 關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列中。程序可以通過(guò)判斷引用隊(duì)列中是否已經(jīng)加入了虛引用，來(lái)了解被引用的對(duì)象是否將要被垃圾回收。程序如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)虛引用已經(jīng)被加入到引用隊(duì) 列，那么就可以在所引用的對(duì)象的內(nèi)存被回收之前采取必要的行動(dòng)。 

6、相關(guān)應(yīng)用

  在java.lang.ref包中提供了三個(gè)類：SoftReference類、WeakReference類和PhantomReference類，它 們分別代表軟引用、弱引用和虛引用。ReferenceQueue類表示引用隊(duì)列，它可以和這三種引用類聯(lián)合使用，以便跟蹤Java虛擬機(jī)回收所引用的對(duì) 象的活動(dòng)。

以下程序創(chuàng)建了一個(gè)String對(duì)象、ReferenceQueue對(duì)象和WeakReference對(duì)象：

以上程序代碼執(zhí)行完畢，內(nèi)存中引用與對(duì)象的關(guān)系如圖2所示

       圖2 'hello'對(duì)象同時(shí)具有強(qiáng)引用和弱引用

     在圖2中，帶實(shí)線的箭頭表示強(qiáng)引用，帶虛線的箭頭表示弱引用。從圖中可以看出，此時(shí)'hello'對(duì)象被str強(qiáng)引用，并且被一個(gè)WeakReference對(duì)象弱引用，因此'hello'對(duì)象不會(huì)被垃圾回收。

   在以下程序代碼中，把引用'hello'對(duì)象的str變量置為null，然后再通過(guò)WeakReference弱引用的get()方法獲得'hello'對(duì)象的引用：

    執(zhí)行完以上第④行后，內(nèi)存中引用與對(duì)象的關(guān)系如圖3所示，此 時(shí)'hello'對(duì)象僅僅具有弱引用，因此它有可能被垃圾回收。假如它還沒(méi)有被垃圾回收，那么接下來(lái)在第⑤行執(zhí)行wf.get()方法會(huì)返回 'hello'對(duì)象的引用，并且使得這個(gè)對(duì)象被str1強(qiáng)引用。再接下來(lái)在第⑥行執(zhí)行rq.poll()方法會(huì)返回null，因?yàn)榇藭r(shí)引用隊(duì)列中沒(méi)有任何 引用。ReferenceQueue的poll()方法用于返回隊(duì)列中的引用，如果沒(méi)有則返回null。

     圖3 'hello'對(duì)象只具有弱引用

    在以下程序代碼中，執(zhí)行完第④行后，'hello'對(duì)象僅僅具有弱引用。接下來(lái)兩次調(diào)用System.gc()方法，催促垃圾回收器工作，從而提高 'hello'對(duì)象被回收的可能性。假如'hello'對(duì)象被回收，那么WeakReference對(duì)象的引用被加入到ReferenceQueue中， 接下來(lái)wf.get()方法返回null，并且rq.poll()方法返回WeakReference對(duì)象的引用。圖4顯示了執(zhí)行完第⑧行后內(nèi)存中引用與 對(duì)象的關(guān)系。

  圖4 'hello'對(duì)象被垃圾回收，弱引用被加入到引用隊(duì)列

    在以下代碼References類中，依次創(chuàng)建了10個(gè)軟引用、10個(gè)弱引用和10個(gè)虛引用，它們各自引用一個(gè)Grocery對(duì)象。從程序運(yùn) 行時(shí)的打印結(jié)果可以看出，虛引用形同虛設(shè)，它所引用的對(duì)象隨時(shí)可能被垃圾回收，具有弱引用的對(duì)象擁有稍微長(zhǎng)的生命周期，當(dāng)垃圾回收器執(zhí)行回收操作時(shí)，有可 能被垃圾回收，具有軟引用的對(duì)象擁有較長(zhǎng)的生命周期，但在Java虛擬機(jī)認(rèn)為內(nèi)存不足的情況下，也會(huì)被垃圾回收。

     在Java集合中有一種特殊的Map類型：WeakHashMap， 在這種Map中存放了鍵對(duì)象的弱引用，當(dāng)一個(gè)鍵對(duì)象被垃圾回收，那么相應(yīng)的值對(duì)象的引用會(huì)從Map中刪除。WeakHashMap能夠節(jié)約存儲(chǔ)空間，可用來(lái)緩存那些非必須存在的數(shù)據(jù)。
     以下代碼MapCache類的main()方法創(chuàng)建了一個(gè)WeakHashMap對(duì)象，它存放了一組Key對(duì)象的弱引用，此外main()方法還創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)組對(duì)象，它存放了部分Key對(duì)象的強(qiáng)引用。

程序輸出結(jié)果：

    從打印結(jié)果可以看出，當(dāng)執(zhí)行System.gc()方法后，垃圾回收器只會(huì)回收那些僅僅持有弱引用的Key對(duì)象。id可以被3整數(shù)的Key對(duì)象持有強(qiáng)引用，因此不會(huì)被回收。

7、使用軟引用構(gòu)建敏感數(shù)據(jù)的緩存

    7.1 為什么需要使用軟引用
    首先，我們看一個(gè)雇員信息查詢系統(tǒng)的實(shí)例。我們將使用一個(gè)Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的雇員信息查詢系統(tǒng)查詢存儲(chǔ)在磁盤文件或者數(shù)據(jù)庫(kù)中的雇員人事檔案信息。作為一 個(gè)用戶，我們完全有可能需要回頭去查看幾分鐘甚至幾秒鐘前查看過(guò)的雇員檔案信息(同樣，我們?cè)跒g覽WEB頁(yè)面的時(shí)候也經(jīng)常會(huì)使用“后退”按鈕)。這時(shí)我們 通常會(huì)有兩種程序?qū)崿F(xiàn)方式:一種是把過(guò)去查看過(guò)的雇員信息保存在內(nèi)存中，每一個(gè)存儲(chǔ)了雇員檔案信息的Java對(duì)象的生命周期貫穿整個(gè)應(yīng)用程序始終;另一種 是當(dāng)用戶開(kāi)始查看其他雇員的檔案信息的時(shí)候，把存儲(chǔ)了當(dāng)前所查看的雇員檔案信息的Java對(duì)象結(jié)束引用，使得垃圾收集線程可以回收其所占用的內(nèi)存空間，當(dāng) 用戶再次需要瀏覽該雇員的檔案信息的時(shí)候，重新構(gòu)建該雇員的信息。很顯然，第一種實(shí)現(xiàn)方法將造成大量的內(nèi)存浪費(fèi)，而第二種實(shí)現(xiàn)的缺陷在于即使垃圾收集線程 還沒(méi)有進(jìn)行垃圾收集，包含雇員檔案信息的對(duì)象仍然完好地保存在內(nèi)存中，應(yīng)用程序也要重新構(gòu)建一個(gè)對(duì)象。我們知道，訪問(wèn)磁盤文件、訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源、查詢數(shù)據(jù)庫(kù) 等操作都是影響應(yīng)用程序執(zhí)行性能的重要因素，如果能重新獲取那些尚未被回收的Java對(duì)象的引用，必將減少不必要的訪問(wèn)，大大提高程序的運(yùn)行速度。

    7.2 如果使用軟引用
    SoftReference的特點(diǎn)是它的一個(gè)實(shí)例保存對(duì)一個(gè)Java對(duì)象的軟引用，該軟引用的存在不妨礙垃圾收集線程對(duì)該Java對(duì)象的回收。也就是說(shuō)， 一旦SoftReference保存了對(duì)一個(gè)Java對(duì)象的軟引用后，在垃圾線程對(duì)這個(gè)Java對(duì)象回收前，SoftReference類所提供的 get()方法返回Java對(duì)象的強(qiáng)引用。另外，一旦垃圾線程回收該Java對(duì)象之后，get()方法將返回null。

 看下面代碼:

     此時(shí)，對(duì)于這個(gè)MyObject對(duì)象，有兩個(gè)引用路徑，一個(gè)是來(lái)自SoftReference對(duì)象的軟引用，一個(gè)來(lái)自變量aReference的強(qiáng)引用，所以這個(gè)MyObject對(duì)象是強(qiáng)可及對(duì)象。
     隨即，我們可以結(jié)束aReference對(duì)這個(gè)MyObject實(shí)例的強(qiáng)引用:
     aRef = null; 
     此后，這個(gè)MyObject對(duì)象成為了軟可及對(duì)象。如果垃圾收集線程進(jìn)行內(nèi)存垃圾收集，并不會(huì)因?yàn)橛幸粋€(gè)SoftReference對(duì)該對(duì)象的引用而始終 保留該對(duì)象。Java虛擬機(jī)的垃圾收集線程對(duì)軟可及對(duì)象和其他一般Java對(duì)象進(jìn)行了區(qū)別對(duì)待:軟可及對(duì)象的清理是由垃圾收集線程根據(jù)其特定算法按照內(nèi)存 需求決定的。也就是說(shuō)，垃圾收集線程會(huì)在虛擬機(jī)拋出OutOfMemoryError之前回收軟可及對(duì)象，而且虛擬機(jī)會(huì)盡可能優(yōu)先回收長(zhǎng)時(shí)間閑置不用的軟 可及對(duì)象，對(duì)那些剛剛構(gòu)建的或剛剛使用過(guò)的“新”軟可反對(duì)象會(huì)被虛擬機(jī)盡可能保留。在回收這些對(duì)象之前，我們可以通過(guò):
     MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get(); 
     重新獲得對(duì)該實(shí)例的強(qiáng)引用。而回收之后，調(diào)用get()方法就只能得到null了。

     7.3 使用ReferenceQueue清除失去了軟引用對(duì)象的SoftReference
     作為一個(gè)Java對(duì)象，SoftReference對(duì)象除了具有保存軟引用的特殊性之外，也具有Java對(duì)象的一般性。所以，當(dāng)軟可及對(duì)象被回收之后， 雖然這個(gè)SoftReference對(duì)象的get()方法返回null,但這個(gè)SoftReference對(duì)象已經(jīng)不再具有存在的價(jià)值，需要一個(gè)適當(dāng)?shù)那?除機(jī)制，避免大量SoftReference對(duì)象帶來(lái)的內(nèi)存泄漏。在java.lang.ref包里還提供了ReferenceQueue。如果在創(chuàng)建 SoftReference對(duì)象的時(shí)候，使用了一個(gè)ReferenceQueue對(duì)象作為參數(shù)提供給SoftReference的構(gòu)造方法，如:

    那么當(dāng)這個(gè)SoftReference所軟引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同時(shí)，ref所強(qiáng)引用的SoftReference對(duì)象被列入 ReferenceQueue。也就是說(shuō)，ReferenceQueue中保存的對(duì)象是Reference對(duì)象，而且是已經(jīng)失去了它所軟引用的對(duì)象的 Reference對(duì)象。另外從ReferenceQueue這個(gè)名字也可以看出，它是一個(gè)隊(duì)列，當(dāng)我們調(diào)用它的poll()方法的時(shí)候，如果這個(gè)隊(duì)列中 不是空隊(duì)列，那么將返回隊(duì)列前面的那個(gè)Reference對(duì)象。
    在任何時(shí)候，我們都可以調(diào)用ReferenceQueue的poll()方法來(lái)檢查是否有它所關(guān)心的非強(qiáng)可及對(duì)象被回收。如果隊(duì)列為空，將返回一個(gè) null,否則該方法返回隊(duì)列中前面的一個(gè)Reference對(duì)象。利用這個(gè)方法，我們可以檢查哪個(gè)SoftReference所軟引用的對(duì)象已經(jīng)被回 收。于是我們可以把這些失去所軟引用的對(duì)象的SoftReference對(duì)象清除掉。常用的方式為:

     理解了ReferenceQueue的工作機(jī)制之后，我們就可以開(kāi)始構(gòu)造一個(gè)Java對(duì)象的高速緩存器了。

     7.4通過(guò)軟可及對(duì)象重獲方法實(shí)現(xiàn)Java對(duì)象的高速緩存
 利用Java2平臺(tái)垃圾收集機(jī)制的特性以及前述的垃圾對(duì)象重獲方法，我們通過(guò)一個(gè)雇員信息查詢系統(tǒng)的小例子來(lái)說(shuō)明如何構(gòu)建一種高速緩存器來(lái)避免重復(fù)構(gòu)建同一個(gè)對(duì)象帶來(lái)的性能損失。我們將一個(gè)雇員的檔案信息定義為一個(gè)Employee類:

    這個(gè)Employee類的構(gòu)造方法中我們可以預(yù)見(jiàn)，如果每次需要查詢一個(gè)雇員的信息。哪怕是幾秒中之前剛剛查詢過(guò)的，都要重新構(gòu)建一個(gè)實(shí)例，這是需要消耗很多時(shí)間的。下面是一個(gè)對(duì)Employee對(duì)象進(jìn)行緩存的緩存器的定義:

 8．使用弱引用構(gòu)建非敏感數(shù)據(jù)的緩存
     8.1全局 Map 造成的內(nèi)存泄漏
     無(wú)意識(shí)對(duì)象保留最常見(jiàn)的原因是使用Map將元數(shù)據(jù)與臨時(shí)對(duì)象（transient object）相關(guān)聯(lián)。假定一個(gè)對(duì)象具有中等生命周期，比分配它的那個(gè)方法調(diào)用的生命周期長(zhǎng)，但是比應(yīng)用程序的生命周期短，如客戶機(jī)的套接字連接。需要將 一些元數(shù)據(jù)與這個(gè)套接字關(guān)聯(lián)，如生成連接的用戶的標(biāo)識(shí)。在創(chuàng)建Socket時(shí)是不知道這些信息的，并且不能將數(shù)據(jù)添加到Socket對(duì)象上，因?yàn)椴荒芸刂?Socket 類或者它的子類。這時(shí)，典型的方法就是在一個(gè)全局 Map 中存儲(chǔ)這些信息，如下面的 SocketManager 類所示：使用一個(gè)全局 Map 將元數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到一個(gè)對(duì)象。

    這種方法的問(wèn)題是元數(shù)據(jù)的生命周期需要與套接字的生命周期掛鉤，但是除非準(zhǔn)確地知道什么時(shí)候程序不再需要這個(gè)套接字，并記住從 Map 中刪除相應(yīng)的映射，否則，Socket 和 User 對(duì)象將會(huì)永遠(yuǎn)留在 Map 中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)響應(yīng)了請(qǐng)求和關(guān)閉套接字的時(shí)間。這會(huì)阻止 Socket 和 User 對(duì)象被垃圾收集，即使應(yīng)用程序不會(huì)再使用它們。這些對(duì)象留下來(lái)不受控制，很容易造成程序在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后內(nèi)存爆滿。除了最簡(jiǎn)單的情況，在幾乎所有情況下找出 什么時(shí)候 Socket 不再被程序使用是一件很煩人和容易出錯(cuò)的任務(wù)，需要人工對(duì)內(nèi)存進(jìn)行管理。

     8.2如何使用WeakHashMap
     在Java集合中有一種特殊的Map類型—WeakHashMap，在這種Map中存放了鍵對(duì)象的弱引用，當(dāng)一個(gè)鍵對(duì)象被垃圾回收器回收時(shí)，那么相應(yīng)的值 對(duì)象的引用會(huì)從Map中刪除。WeakHashMap能夠節(jié)約存儲(chǔ)空間，可用來(lái)緩存那些非必須存在的數(shù)據(jù)。關(guān)于Map接口的一般用法。
    下面示例中MapCache類的main()方法創(chuàng)建了一個(gè)WeakHashMap對(duì)象，它存放了一組Key對(duì)象的弱引用，此外main()方法還創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)組對(duì)象，它存放了部分Key對(duì)象的強(qiáng)引用。

     從打印結(jié)果可以看出，當(dāng)執(zhí)行System.gc()方法后，垃圾回收器只會(huì)回收那些僅僅持有弱引用的Key對(duì)象。id可以被3整除的Key對(duì)象持有強(qiáng)引用，因此不會(huì)被回收。

    8.3用 WeakHashMap 堵住泄漏
    在 SocketManager 中防止泄漏很容易，只要用 WeakHashMap 代替 HashMap 就行了。（這里假定SocketManager不需要線程安全）。當(dāng)映射的生命周期必須與鍵的生命周期聯(lián)系在一起時(shí)，可以使用這種方法。用 WeakHashMap修復(fù) SocketManager。

     8.4配合使用引用隊(duì)列
     WeakHashMap 用弱引用承載映射鍵，這使得應(yīng)用程序不再使用鍵對(duì)象時(shí)它們可以被垃圾收集，get() 實(shí)現(xiàn)可以根據(jù) WeakReference.get() 是否返回 null 來(lái)區(qū)分死的映射和活的映射。但是這只是防止 Map 的內(nèi)存消耗在應(yīng)用程序的生命周期中不斷增加所需要做的工作的一半，還需要做一些工作以便在鍵對(duì)象被收集后從 Map 中刪除死項(xiàng)。否則，Map 會(huì)充滿對(duì)應(yīng)于死鍵的項(xiàng)。雖然這對(duì)于應(yīng)用程序是不可見(jiàn)的，但是它仍然會(huì)造成應(yīng)用程序耗盡內(nèi)存。 
 引用隊(duì)列是垃圾收集器向應(yīng)用程序返回關(guān)于對(duì)象生命周期的信息的主要方法。弱引用有個(gè)構(gòu)造函數(shù)取引用隊(duì)列作為參數(shù)。如果用關(guān)聯(lián)的引用隊(duì)列創(chuàng)建弱引用，在弱引用對(duì)象成為 GC 候選對(duì)象時(shí)，這個(gè)引用對(duì)象就在引用清除后加入到引用隊(duì)列中（具體參考上文軟引用示例）。
     WeakHashMap 有一個(gè)名為 expungeStaleEntries() 的私有方法，大多數(shù) Map 操作中會(huì)調(diào)用它，它去掉引用隊(duì)列中所有失效的引用，并刪除關(guān)聯(lián)的映射。